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使用说明书 |
同步交流发电机的分类和工作特性 |
康明斯发电机运行的同步电机是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。
一、发电机分类
同步发电机的基本形式分为旋转电枢式和旋转磁极式两种类型。这两类同步发电机虽然结构上与所不同，但基本原理是相同的，即磁场与导线的相对运动，切割磁力线，导线产生感应电势。
1、旋转电枢式发电机
旋转电枢式发电机的磁场固定的，而电枢则由原动机拖动旋转，三相交流电流通过滑环和电刷的引接送到负载。这类发电机的优点是铁心硅钢片的利用率较高，而且定子是机座可作磁轭，以节约钢材，其缺点是输出的容量受到限制，电压也不能太高，这是由于以下原因。
（1）电枢绕组的电流是通过滑环和电刷的连接引到外电路的。如果输出电流过大，会引起滑环与电刷之间产生过大的火花;若输出电压过大，则滑环和电刷的绝缘不易解决，因此电压一般不超过500V。
（2）由于电枢所占的空间有限，若绕组匝数过多和绝缘层过厚，制作困难，这就限制电压增高和容量增大。
（3）当电枢转速较高时， 由于离心力的作用和振动增大，容易造成电枢损坏，因此，限制发电机的运行。
（4）这类发电机结构较复杂，造价也比较贵。
基于上述原因，用这类发电机供电已很少采用，通常此无刷发电机作交流励磁机用。
2、旋转磁极式发电机
旋转磁极式发电机的电枢是固定的，而磁极则是旋转的，电枢绕组均匀分布在整个铁心槽内。这类同步发电机，按其磁极的形状，又可分为凸极式和隐极式两种。
（1）凸极式发电机
凸极式发电机有明显的磁极，在磁极铁心上套有集中磁极绕组。它的气隙是不均匀的，极弧下气隙较小，而极间部分气隙较大。
（2）隐极式发电机
隐极式发电机没有明显的磁极，磁极绕组分散嵌在转子铁心槽内。由于它的转子制成圆柱形，因此，其气隙是均匀的。
旋转磁极式发电机有效多的空间位置来嵌放电枢绕组和绝缘材料。电枢绕组输出的交流电流可直接送往负载，其机械强度和绝缘条件均比较好，可靠性也比较高。
二、发电机工作特性
同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用发电机的重要依据。
1、空载特性：
发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时电机定子的三相绕组只有励磁电流If 感生出的空载电动势E0（三相对称），其大小随 If 的增大而增加。但是，由于电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势E0 与励磁电流If 关系的曲线称为同步发电机的空载特性。
2、电枢反应
当发电机接上对称负载后，电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场，称电枢反应磁场。其转速正好与转子的转速相等，两者同步旋转。
3、负载运行特性
（1）外特性
外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功率因数为常数时，发电机端电压 U 与负载电流 I 之间的关系。调整特性是转速和端电压为额定值、负载功率因数为常数时，励磁电流 If 与负载电流之间的关系。还有电阻性、电容性和电感性 3 种负载的情况。由于电枢反应磁场影响的不同，三者的曲线也不一样。在外特性中，从空载到额定负载时电压的变化程度称为电压变化率△U。所谓发电机的外特性，就是指励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，变更定子负荷电流时，端电压U的变化曲线，即U=f(I)曲线。
在滞后的功率因数情况下cos(θ)，当定子电流增加时，电压降落较大，就是由于此时电枢反应是去磁的。在超前的功率因数的情况下[cos(-θ)]，定子电流增加时，电压反而升高，这是由于电枢反应是助磁的。在cos(θ)=1，电压降落较小。外特性可以用来分析发电机运行中的电压波动情况，借以提出对自动调节励磁装置调节范围的要求。
（2）调整特性
所谓发电机的调整特性，系指电压、转速、功率因数为常数的条件下，变更定子负荷电流时，励磁电流的变化曲线。不同功率因数下的调整特性可以看出，在滞后的功率因数情况下，负荷增加，励增电流也必须增加。这是因为此时去磁作用加强，要维持气隙磁通；必须增加转子磁势。在超前的功率回数下，负荷增加，励磁电流一般还要降低。这是因为电枢反应有助磁作用的缘故。调整特性可以使运行人员了解：在某一功率因数时，定子电流到多少而不使励磁电流超过制造厂的规定值，并能维持额定电压。利用这此曲线，可使电力系统无功功率更合理一些。
4、电压变化率
约为 20～40％。一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。为此， 随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。有 3 种不同性质负载下的调整特性。虽然调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和纯电阻性负载，它是上升的，而在容性负载下， 一般是下降的。
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